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反射隔热涂料细度与性能的关系研究,分别采用不同来源的钛白颜料来制备反射隔热涂料
2020年02月05日    阅读量:3039     新闻来源:中国化工网 okmart.com    |  投稿

建筑保温隔热是节约能源、提高房屋居住和使用功能的一个重要方面。建筑能耗在整个能源消耗中所占比例一般在30%~ 40% , 且绝大多数是取暖和降温的能耗。节约能源、降低能耗、提高经济效益是科学研究和技术开发的基本目标之一, 涂料也不例外[ 1] 中国化工网okmart.com


节能涂料是一种功能性涂料, 主要应用于建筑屋顶和外墙, 它在可见光区和近红外光区具有高反射率, 因而能对太阳辐射起到阻隔效应, 延缓热能的传递[ 2] 。节能涂料的组分中起主要作用的是成膜物质和颜填料, 其中颜填料尤为重要[ 3] 。


要达到高的热反射率, 必须选用高折光系数的颜料。白色颜料中应用最广、效果最好的是金红石型钛白粉, 它能耐光、耐热、耐稀酸和碱, 在白漆和浅色漆制造中必不可少。然而, 颜料这种以原级粒子、附聚体和聚集体等方式混合存在的体系对涂料配方有很大影响。


初级粒子的聚集状态不同, 涂料的使用性能和反射隔热性能也随之改变[ 4] 。由于国内建筑隔热涂料的开发还处于起步阶段, 针对涂料中颜料粒子的聚集和分散对其性能影响的研究与报道相对较少。


而且, 不同厂商生产的钛白粉颜料, 其生产方式和工艺控制方面存在差异, 使得钛白粉在粒径分布及表面活性上有所不同。因此, 在隔热涂料制备过程中, 本方法分别采用了不同来源的钛白粉颜料, 考察涂料细度与最终干膜性能的关系。
 

1   实验部分

1. 1   原材料
基料选择德国巴斯夫有限公司生产的Acr onal PS 405 ap丙烯酸乳液。颜料主要有上海煦江实业有限公司生产的水性涂料专用金红石型钛白粉XJ R777 和美国亨斯曼公司生产的多用途的金红石型钛白粉T R 92。填料主要有空心玻璃微珠、轻钙和滑石粉等。助剂主要有润湿分散剂、消泡剂、增塑剂和成膜助剂等。

1. 2   涂料制备
按表1 配方称取各种物料, 在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、适量消泡剂和成膜助剂等充分混合均匀, 然后添加钛白粉等颜填料, 高速分散研磨一定时间, 使粉体粒子细化并达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中, 再低速搅拌30~ 40min。为了避免过高的转速破坏微珠的空心结构, 使其失去隔热反射能力, 空心玻璃微珠最后在低速状态下加入到分散液中, 搅拌过程中滴加剩余消泡剂, 并调到合适的黏度, 过滤, 出料。

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1. 3   仪器
SDF-400 型调速分散研磨机; QXD-25 刮板细度计; C84-III 反射率测定仪; JTX-II 型涂料耐洗刷仪; DXLL-10000 电子拉力机, 拉伸性能按GB/ T 16777-1997<建筑防水涂料试验方法>中规定进行。隔热温差检测根据JG/ T 235-2008<建筑反射隔热涂料>要求配置, 其中测温箱是由3cm 厚导热系数不大于0 030W/ ( m  -K) 的XPS 板构成的五面体, 内腔尺寸为30cm* 30cm *30cm; 测温仪测量精度为0. 1 ℃; 加热灯为全辐射通量135W 的红外灯。

 

2   结果与讨论

2. 1   TiO2 含量对反射率的影响
反射率定义为从物体表面反射射出的波长的光通量与入射于物体表面上的波长的光通量之比。为降低建筑物内部温度而使用的太阳热反射外墙涂料, 应满足对可见光和近红外光的高反射。反射率主要取决于颜填料与树脂的折光系数的比值。在树脂的折光系数( 1 45~ 1 5) 一定的情况下, 其热反射率主要取决于颜填料的折光系数[ 5] 。因此, T iO2 作为高折光系数的颜料, 被用来制备反射隔热涂料并考察涂层反射率的变化( 见图1) 。

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由图1 可知, 随着T iO2 含量的增加, 白色涂层的反射率不断上升。选用T R TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料在TiO2 含量为12%左右达到最高值, 选用XJ TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料在TiO2 含量为14%时达到最高值, 之后它们随着TiO2 含量的增加, 反射率反而有所下降。


其原因可能如下: 当T iO2 开始逐渐添加时, 涂膜内颜料的相对密度增多, 起反射作用的颜料粒子数增多, 故反射率呈上升趋势。但是当TiO2 含量到达一定值以后, 随着用量的进一步增加, 由于颜料粒子的聚集, 使散射的比表面积减少, 散射效率降低, 导致反射率下降[6] 。


所以, 对T iO2 用量, 无论是从实验角度还是从实用成本来讲, 含量并不是越大越好, 而是有一个极限范围, 本实验以12%~ 14%为佳。


2. 2   研磨时间对涂料细度的影响

涂料生产中所指的颜料分散泛指颜料以稳定状态均匀地分散于特定介质中。颜料润湿后, 在分散设备的帮助下打开颜料的聚集体。颜料解聚的成功与否主要取决于分散设备对颜料的高速剪切、碰撞和研磨能否使涂料达到最佳的分散状态。图2 考察了分散研磨过程中涂料的细度变化。


由图2 可知, 使用磨介对涂料进行分散研磨时, 在开始的60min 内, 以XJ T iO2 为颜料的涂料细度下降较快。之后随着研磨时间的延长, 涂料细度下降缓慢。研磨90min 后, 无论以XJ T iO2 还是以TR TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料, 颗粒都有重新团聚的趋势。


这是由于在研磨初始阶段, 颗粒中存在着微小裂纹, 这些裂纹又是应力比较集中的地方, 这些团聚颗粒的强度远小于晶体强度。在高速剪切撞击下, 涂料中的微粒子聚集体被不断解聚。随着研磨时间延长, 颗粒越来越小, 其结构缺陷越来越少, 本体强度不断提高, 粉碎难度也急剧增大[ 7] 。


此外随着时间的延长, 能量由动能转变为物料的表面能, 表面能升高, 导致粉体更容易团聚成为大的颗粒。过度的延长分散时间, 细小粉体又会发生重新团聚现象, 因而在粉体的超细粉碎中存在着粉碎- 团聚平衡, 原因是粉体越细,其表面能越高, 粉体间团聚以降低表面能的趋势越大, 涂料的细度变化取决于这两种作用的综合效果。本研究中以60min左右为较好的研磨时间。

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2. 3   研磨时间对涂膜性能的影响


对比率即遮盖力, 是涂料遮盖底材上的颜色或异色的能力。遮盖力好的涂料只需施涂一道或二道就可遮住底材, 涂料用量少, 可大大节省施工成本, 是涂料产品必不可少的一项性能指标。涂料的遮盖力主要与所用颜料的品种及颜料体积浓度有关。由图3 可见, 颜料的粒径越小, 涂料的对比率即遮盖力就越大。对于粒径较小的TR TiO2 颜料粒子而言, 在单位体积中存在更多的界面, 对太阳光有尽可能大的散射, 很大程度上减少了太阳光的透过。但通过减小涂料细度来提高对比率的方法在研磨开始阶段是有效的, 如图3 所示, XJ T iO2颜料体系在研磨40min 以后对比率的变化趋于平缓。不过对于粒径较粗的XJ TiO2 颜料体系, 研磨可使颜料附聚体团粒变小, 充分发挥颜料粒子的散射功能, 明显提高其遮盖力。

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图4 中不同颜料制备的涂料在各组成一定的情况下, 涂层力学性能随研磨时间有着不同程度的变化。图4( a) 以XJTiO2 为白色颜料的体系中, 随着研磨时间的增加, 涂层的拉伸强度和断裂延伸率不断升高, 说明涂料中原来团聚的粉体颗粒被逐步打开, 在浆料体系中发挥了较好的填充效果, 有效地消除了涂料中的微气孔缺陷, 提高了涂膜的致密性。然而, 随着研磨时间的继续增加, 涂料的力学性能在达到一定程度后不再变化。


这是因为此时粉状颜填料已经无法通过研磨进一步细化, 以致它们改善涂膜微气孔缺陷的作用也不再明显。而图4( b) 以TR T iO2 为白色颜料的涂料体系则显示, 研磨只能很小程度上增强涂层的断裂延伸率, 相反, 拉伸强度却被大大削弱, 不会如图4( a ) 所示出现涂层各项性能的提升。


由于对图4( b) 涂料在高速分散中各组分相互作用原理尚不完全清楚, 推测可能因为TR TiO2 颜料粒径较小, 在研磨过程中, 如图2 所示涂料的细度变化不明显, 但长时间的研磨却引入了大量的气体, 增加了消泡的难度, 结果固化后大量空心腔体的存在导致了力学性能的损失, 并且这种效应远远大于图4( a) 中微气孔改善对力学性能的增强影响, 导致了涂膜整体性能的下降。


研磨时间对涂层耐洗刷性的影响见图5。涂料的耐洗刷性是指漆膜在特定的条件下, 经反复擦洗最终完全消失时, 被擦洗的次数。耐洗刷性能综合反映了涂膜的耐水性、力学性能和对底材的附着力等, 是评价涂料优劣的重要指标。


图5中, XJ TiO2 涂料与TR TiO2 涂料比较, 前者颜料粒径较粗并且吸油量大, 在涂料中难于被完全润湿, 以至分散性差, 易于团聚; 涂膜干燥成型后, 表面也无法达到TR TiO2 涂膜的均匀致密性, 耐洗刷性能因而也不如后者。


随着XJ TiO2 涂料研磨时间的增加, 颜填料的粒径变小, 与涂料体系中的乳液、分散剂等其它成分间的作用增强, 颜料粒子与基料结合度提高,涂膜的致密度增加, 涂膜的机械性能也增强, 更能抵制水的渗透, 因此涂膜的耐洗擦性能也缓慢增加。

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2. 4   涂料的隔热效果比较

空心玻璃微珠也称涂料用多功能空心添加剂, 其颗粒呈圆形或近圆形, 表面光滑坚硬、结构致密, 内部空心, 密度低、导热系数小, 对各种液体介质几乎不吸收, 能够很好地反射光、热等入射波, 适合作为反射填料, 与成膜基料一起构成绝热层, 有效隔断热量的传递。


图6 是在基础配方研磨40min 后, 再逐渐加入空心玻璃微珠, 考察其对不同颜料制备的涂料隔热性能的影响。由图可见, 当空心微珠添加量为7. 5%时, 配方中不同类型的T iO2颜料并没有对涂料的隔热效果产生较大的影响。


当空心玻璃微珠添加量较少时, 虽然已经具备一定的反射隔热效果, 但是由于含量较低, 在涂膜中排布稀疏, 不能形成致密的反射隔热层, 辐射热能够传递到内部, 因此反射隔热效果有限。随着空心微珠含量的增加, 其在涂膜中的排列逐渐紧密, 反射隔热效果也显著增强。


然而, 当玻璃微珠在涂膜中排布致密, 呈饱和状态后, 继续增加玻璃微珠的含量, 不仅会使涂料分散困难,而且空心微珠紧密排列形成的中空隔离层会导致涂层力学性能无法达标。

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3   结语

( 1) 在反射隔热涂料制备中, 应根据各体系组成确定钛白粉的最佳添加量。

( 2) 研磨时间过长或过短对涂料细度都有较大的影响, 研磨时间短, 分散不够充分; 研磨时间长, 会出现重新团聚现象,在本研究中, 以60min 为最佳的分散研磨时间。

( 3) 以XJ T iO2 为颜料的涂膜, 其对比率、拉伸强度、断裂延伸率和耐洗刷性在涂料被分散研磨40~ 60min 后得到较大的提升; 而以T R TiO2 为颜料的涂膜, 在分散前后各项性能变化并不明显。

( 4) 涂料的隔热性能主要由空心玻璃微珠的添加量决定,基本不受钛白颜料来源的影响。空心微珠与T iO2 混合使用可达到良好的反射隔热效果。


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